混凝土拱坝裂缝分析论文

摘要：本文通过水工混凝土的特点，说明水工混凝土裂缝的类型、产生原因及危害，从材料方面，结构方面，施工方面，综合管理方面提出混凝土温度防裂措施。关键词：水工混凝土温控防裂措施研究1水工混凝土的特点无论何种混凝土坝型，就其尺寸和体积来说，都是大体积混凝土。今天小编给大家找来了《混凝土拱坝裂缝分析论文(精选3篇)》，欢迎阅读，希望大家能够喜欢。

混凝土拱坝裂缝分析论文 篇1：

浅谈混凝土裂缝成因、预防

摘 要：混凝土裂缝是建筑工程中较为普遍存在的问题，根据大型建筑物（大坝、厂房等）施工实际情况，就其形成原因与控制谈一些看法。

关键词：混凝土；裂缝；原因；预防

1 裂缝产生的原因

1.1 设计原因

（1）大型建筑物多为大体积混凝土，设计方案无降温措施，混凝土浇筑后，在硬化过程中，水泥水化产生大量的水化热，（当水泥用量在350-550kg/m3，每立方米混凝土将释放出17500-27500kJ的热量，从而使混凝土内部温度升达60℃以上），而混凝土表面散热较快，这样就形成内外的较大温差，较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，进而产生温度裂缝。（2）设计结构中断面突变，导致应力集中所产生的构件裂缝。（3）设计中对构件施加预应力不当，造成构件的裂缝（偏心、应力过大等）。（4）设计中未充分考虑混凝土构件的收缩变形。

1.2 混凝土材料和配合比

配合比设计不当直接影响砼的抗拉强度，是造成砼开裂不可忽视的原因。配合比不当指水泥用量过大，水灰比大，含砂率不适当，骨料种类不佳，选用外加剂不当等，这几个因素是互相关联的。有关试验资料显示：用水量不变时。水泥用量每增加10%，混凝土收缩增加约5%；水泥用量不变时，用水量每增加10%，混凝土强度约降低20%，混凝土与钢筋的粘结力降低10%。有些地方发现不少厂房混凝土浇捣的楼板出现裂缝，总结的原因有如下方面：（1）粗细集料含泥量过大，造成混凝土收缩增大。集料颗粒级配不良或采取不恰当的间断级配，容易造成混凝土收缩的增大，诱导裂缝的产生。（2）骨料粒径越细、针片含量越大，细骨料石粉含量超标，混凝土单方用灰量、用水量增多，收缩量增大。（3）混凝土外加剂、掺和料选择不当、或掺量不当，严重增加混凝土收缩。（4）水泥品种原因，矿渣硅酸盐水泥收缩比普通硅酸盐水泥收缩大。（5）水泥等级及混凝土强度等级原因：水泥等级越高、细度越细、早强越高对混凝土开裂影响很大。混凝土设计强度等级越高，混凝土脆性越大、越易开裂。（6）配合比中水灰比（水胶比）过大。

1.3 施工及现场养护

（1）现场浇捣混凝土时，振捣或插入不当，漏振、过振或振捣棒抽撤过快，均会影响混凝土的密实性和均匀性，诱导裂缝的产生。（2）对大体积混凝土工程，缺少两次抹面，易产生表面收缩裂缝。（3）大体积混凝土浇注，对水化计算不准、现场混凝土降温及保温工作不到位，引起混凝土内部温度过高或内外温差过大，混凝土产生温度裂缝。（4）现场养护措施不到位，混凝土早期脱水，引起收缩裂缝。

2 裂缝的预防措施

2.1 设计

（1）专门制定温控措施、方案，包括制冷设备和中后期制冷系统运行的要求。（2）严格审核设计图纸，受力分析要复核，合理设置施工缝，合理考虑安全系数。（3）设计中应尽量避免结构断面突变带来的应力集中。在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。（4）积极采用补偿收缩混凝土技术。常见混凝土裂缝中，相当部分是由于混凝土收缩而造成的。要解决此问题，可在混凝土中掺用膨胀剂来补偿混凝土的收缩。实践证明，效果很好。（5）重视对构造钢筋的认识。在结构设计中，设计人员应重视对于构造钢筋的配置，特别是楼面、墙板等薄壁构件更应注意构造钢筋直径和数量的选择。

2.2 选材和配合比设计

（1）选用粉煤灰、外加剂以减少水泥用量和砼的发热量。比如：大部分高效缓凝减水剂使28d龄期的混凝土的发热量减少25%～30%；粉煤灰减少混凝土的初期发热量，简化温控措施等。（2）选择低水化热水泥，施工现场多使用普通硅酸盐水泥，也应尽量减少单位水泥用量。不同品牌、不同规格、不同批次的水泥不能混用。（3）选择骨料，严格按《水工混凝土施工规范》的各项指标控制，粗骨料针片状颗粒含量<15%为佳，人工砂的细度模数宜在2.4～2.8范围内，石粉含量6%～18%为佳。选择的天然细集料含泥量<3%，细集料含泥量<0.5%为佳。砂率严格按照规范要求，根据现场实验选定最佳砂率为宜。（4）砼要有合适的配合比，选择合适的配合比，不仅要满足强度要求、施工要求，还要从防止产生裂缝的需要出发。适当地选择好水灰比，在满足强度要求的原则下，尽可能减少水泥用量。粉煤灰加量适当，高效缓凝减水剂等外加剂（如木质素、糖蜜、MF复合剂等）合理掺量，增加混凝土的强度，减少裂缝的产生。

2.3 施工操作

（1）浇捣工作：浇捣时，振捣捧要快插慢拔，根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间，避免过振或漏振，应提倡采用二次振捣、二次抹面技术，以排除泌水、混凝土内部的水分和气泡。（2）混凝土养护：混凝土裂缝防治工作中，新浇混凝土早期养护尤为重要，可保证混凝土在早期尽可能少产生收缩。洒水养护强度不仅考虑施工现场温度高、风速大等原因。（3）混凝土的降温和保温工作：对于厚大体积混凝土，施工时应充分考虑水泥水化热问题。浇筑前骨料要风冷、可以制冰水、夏季运输采取保温措施等降低混凝土入仓温度，采取必要的降温措施（仓面喷雾、埋设散热孔、通水排热、冷却水管等），避免水化热高峰的集中出现、降低峰值。浇捣成型后，应采取必要的蓄水保温措施，表面覆盖薄膜、湿麻袋、保温苯板等（不紧要考虑季节降温、也要考虑昼夜温差）进行养护，以防止由于混凝土内外温差过大而引起的温度裂缝。比如：出现裂缝的部位是国内某大坝泄洪坝段上游面在1999年浇筑的，到了2000年只出现一条裂缝，到2001年了，以为混凝土龄期2年了，就不太重视温控措施了。2001年夏天把保温材料拿掉了，冬天来了，应该再把保温材料盖好。但大家疏忽了。结果，2002年出现的裂缝就比较多了。这是一个深刻的教训。象大坝泄洪坝段上游面这样重要的部位，保温措施应该一直保留到蓄水为止。而贵州某双曲拱坝上游面保温苯板在蓄水之前才拆除，有效的保证了混凝土裂缝的产生。（4）避免在雨中或大风中浇灌混凝土。（5）现浇结构的模板拆除时的混凝土强度应符合设计或规范要求。

3 结语

对建筑物耐久性有严重影响的、对结构安全性、稳定性等有害的裂缝我们一定要事前积极预防，施工中要引起足够重视。特别是在国外大型建筑物材料需求量大、很多受材料限制，比如非洲加纳、尼日利亚的粉煤灰还要从国内运，当地水泥品种有限（尼日利亚水泥以Lafarge、Dangote两种水泥为主，而且一般先付现金后拿货、月供应量有限），加纳布维主要为砂岩，尼日利亚宗格鲁使用Luwa村的花岗岩，大多都存在骨料选择性较少、运距远、当地村民阻扰等问题。选用裂缝预防措施的时候必须充分考虑材料的选择。必要时进行相关试验为宜。

上述观点希望能够帮助刚步入国际工程项目的年轻朋友。不足之处请指点，互相学习。

作者简介：姜桂军（1981- ），男，湖南长沙人，本科，工程师，研究方向：水電工程施工管理。

作者：姜桂军

混凝土拱坝裂缝分析论文 篇2：

水工混凝土温控防裂措施研究

摘要：本文通过水工混凝土的特点，说明水工混凝土裂缝的类型、产生原因及危害，从材料方面，结构方面，施工方面，综合管理方面提出混凝土温度防裂措施。

关键词：水工混凝土 温控防裂措施 研究

1 水工混凝土的特点

无论何种混凝土坝型，就其尺寸和体积来说，都是大体积混凝土。大体积混凝土由于水泥水化过程中产生的大量水化热不易散发，浇筑后初期，混凝土内部温度急剧上升引起混凝土膨胀变形。此时的混凝土弹性模量还很小，因而在升温过程中由于基础约束馄凝土膨胀变形而产生的压应力很小。但随着混凝土龄期的增长，水化作用逐渐减弱，水化热逐渐减少，同时混凝土的强度和弹性模量逐渐增大。而此时混凝土的温度逐渐降低，混凝土发生收缩变形时又受到基础的约束，收缩变形就会产生相当大的拉应力。在分析计算混凝土块体温度应力时，由于升温阶段的压力很小，往往可以忽略不计。因此大体积混凝土一方面后期降温的拉应力很大，另一方面混凝土是抗拉强度仅为抗压强度一的脆性不均匀体，因而抵抗温度拉应力的能力很低。当拉应力或拉伸应变超过混凝土抗拉强度或极限拉伸值时就会产生温度裂缝。

2 裂缝的类型、产生原因及危害

混凝土坝发生裂缝的主要原因，是温度和湿度的变化、混凝土本身的脆性和不均匀性、以及分缝分块不恰当和结构形式不合理等等。此外原材料不合格、模版变形和基础不均匀沉陷，也会引起裂缝。不过混凝土最常见的裂缝，主要还是温度裂缝。混凝土坝的温度裂缝，按其发生的部位和深度，原因即性质主要分为以下几种。

2.1 表面裂缝 表面裂缝是大体积混凝土最常见的裂缝，分为竖向活水平向，即位于浇筑面顶层或水平施工缝上，其长度或深度一般较小，为贯穿整个仓面或浇筑层。表面裂缝多发生在大坝施工过程中，多为气温骤降作用引起，以混凝土龄期最容易出现。表面裂缝危害一般较小，但也视发生的部位和坝体内温度状态而定。如果位于基础约束区及上游面等敏感部位，且坝体内温度较高，需作适当处理，以防止其继续发展和恶化成为基础贯穿或深层裂缝。

2.2 基础贯穿裂缝 基础贯穿裂缝发生于坝块基础部位，裂缝宽度较大，深度穿过一个甚至几个浇筑层。这类裂缝一般发生于坝块后期的整个降温过程中，或长间歇的基础约束区混凝土受气温骤降及内部降温的联合作用引起。裂缝宽度为上大下小。基础贯穿裂缝危害性最大，影响坝体的整体性与安全。因为这种裂缝一旦发生在坝体的横断面上，就会把坝体分割成独立的块体，坝的整体性即遭到破坏，使坝体应力将发生变化并重新分布，特别是反应在上游坝踵处，将出现较大的拉应力，影响坝的稳定，直接危害坝的安全。如果这种缝发生在坝的纵断面上，当其与迎水面相通时，还会引起严重的漏水。因此，防止基础贯穿裂缝是大体积混凝土温控的主要目标。坝体一旦发生此类裂缝，必须查清原因，认真处理，消除影响并防止其继续发展。

2.3 深层裂缝 它仅限于坝块表层，但其深度及长度较大，贯穿了整个仓面及浇筑层。由于其位于坝块表层，又是从表面开裂发展而成，也叫做表面深层裂缝。此类裂缝发生于大坝施工过程中，多为长时间间歇顶面受气温骤降作用，或长期暴露受内外温差和气温骤降联合作用引起此外，还可由浇筑层底部不平整成台阶状引起。这种裂缝施工现场中比较常见，要根据发生的部位和裂缝危害性，坝体内温度状态和边界条件，作妥善处理，防止其继续发展形成基础贯穿裂缝。

2.4 网状裂缝 网状裂缝一般发生在混凝土块体的暴露面，裂缝的形态与分布很不规则，且深度极浅，主要由于浇筑后养护不善造成，尤其是高标号混凝土早期更容易出现这类裂缝。网状裂缝主要由于块体表面混凝土干缩引起，本身危害不大，但当混凝土干缩与降温收缩相叠加时，就会产生危害性较大的裂缝[1]。

3 混凝土温度控制及防裂措施

3.1 材料方面

3.1.1 提高混凝土抗裂能力

混凝土配合比设计和混凝土施工应保证混凝土设计所必需的极限拉伸值或抗拉强度、施工均制性指标和强度保证率，有条件时还要优先选用热膨胀系数较低的砂石料。由于温控防裂设计的安全储备远小于结构设计，而且实际施工中混凝土施工均制性有时较差，所以在施工过程中，除满足前述设计要求的混凝土抗裂能力外，还应改进混凝土施工管理和施工工艺，改善混凝土性能，提高混凝土抗裂能力。

3.1.2 控制混凝土水化热 控制混凝土水泥水化热主要通过采用发热量低的中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥，选择较优骨料级配和掺粉煤灰、外加剂，以减少水泥用量和延缓水化热发散速率等措施。

3.1.3 控制混凝土自身体积变形 采用微膨胀混凝土能补偿部分混凝土温降引起的收缩变形，与此相反，混凝土自身体积变形为收缩者将增大混凝土出现裂缝的可能性。目前控制混凝土自身体积变形使其具有一定膨胀性，主要可以采用以下措施低热微膨胀水泥混凝土[2]。

3.2 结构方面

3.2.1 选择合理的结构型式 实践经验证明，现有的混凝土结构裂缝，绝大多数与温度应力有关，结构型式选择恰当，就可能减少温度应力，从而减少裂缝。在寒冷地区修建薄拱坝和支墩坝，由于厚度较小，受外界气温的影响较大，容易产生温度裂缝，对于防止裂缝是不利的。

3.2.2 适当分缝分块 根据坝址气候条件、坝体结构特点、施工机械及施工温控水平，并考虑温控措施合理配套，对大坝进行合理分缝分块，在混凝土结构内设置一系列纵横缝。根据目前己有的经验，横缝间距以巧为宜。纵缝是平行于坝轴线的接缝，有直缝、斜缝和错缝等几种型式。实际经验表明，错缝在坝体降温过程中容易被拉开，一般不宜采用。

3.2.3 配置钢筋 大体积混凝土的裂缝，主要由温度应力和干缩应力产生。由于钢筋不会干缩，钢筋的存在会阻止混凝土的干缩变形，使混凝土内干缩应力增加，所以不能用钢筋来防止干缩裂缝。在坝块常温和允许应力范围内，当混凝土达到极限变形时，混凝土内钢筋的应力仅约为。因此要配置大量的钢筋方可防止温度裂缝，这在经济上显然是不能接受的，但配筋确实是可以限裂的。例如在预计要长期暴露的混凝土层面或过水度汛的混凝土面，在其表面配置适当数量的钢筋网，可以防止贯穿性或深层裂缝的产生。也有一些混凝土坝为加强上游面的抗裂能力，在上游面设置钢筋网[3]。

3.3 施工方面

3.3.1 合理安排混凝土施工程序和施工进度 合理安排混凝土施工程序和施工进度是防止基础贯穿裂缝，减少表面裂缝的主要措施之一。施工程序和施工进度安排，应满足如下几点要求基础约束区混凝土在设计规定的间歇期内连续均匀上升不应出现薄层长间歇。基础强约束区混凝土应在低温季节浇筑施工。其余部分基本做到短间歇连续均匀上升。相邻块、相邻坝段高差符合规范允许高差要求。

3.3.2 控制坝体最高温度 应采取必要温控措施，使坝体实际出现的最高温度不超过坝体设计允许最高温度。控制坝体实际最高温度的有效措施是降低混凝土浇筑温度、控制混凝土水泥水化热温升。

3.4 综合管理方面 温控防裂工作是一项复杂的系统工程，除了从配合比设计、拌和、浇筑、冷却通水、养护外露面保温几个环节做好工作外，合理安排仓位、科学配置资源、加快入仓速度及加强仓面保护等对混凝土温控也有重要作用。

参考文献：

[1]赵代深.混凝土重力坝的温度应力[J].土木工程学报.1993年8月.

[2]李承木.约束混凝土的温度防裂性试验研究[J].四川水力发电.1993年8月.

[3]王笃学.温度对混凝土的影响[J].四川建筑学报.1997年1月.

作者：尚衍绍　高　武

混凝土拱坝裂缝分析论文 篇3：

高坝混凝土裂缝问题研究综述

doi:10.3724/SP.J.1201.2012.01129

摘要：针对高坝建设和运行中普遍存在的裂缝问题，将高坝混凝土裂缝问题分为4个部分，包括裂缝成因和机理、裂缝扩展稳定性、裂缝探查方法以及裂缝防治和处理措施，然后对每一部分中关键问题如裂缝成因、扩展稳定性研究方法、裂缝无损探查方法以及裂缝灌浆措施的研究现状分别进行阐述，指出优缺点及值得关注的发展方向，最后给出自己的一些建议，以期对高坝裂缝问题研究有所帮助。

关键词：高坝混凝土；裂缝成因；扩展稳定性；探查方法；处理措施

Review on Cracking in High Concrete Dams

ZHOU Qiu-jing，ZHANG Guo-xin，YANG Bo

(China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China)

Key words:High concrete dam;causes of crack;stability;probing methods;treatment measures

目前大批高坝工程已建、在建和拟建，如锦屏I级（305 m）、小湾（2945 m）、溪洛渡（2855 m）、二滩（250 m）、三峡等，但坝体混凝土裂缝问题亟待解决，自20世纪初开始修建混凝土坝以来，裂缝问题始终存在，甚至无坝不裂^［1］，如三峡、二滩、小湾和溪洛渡拱坝或多或少存在坝体裂缝，成为困扰大坝建设的关键问题之一。坝体混凝土裂缝问题包含裂缝产生、扩展、稳定性评估、探查和控制等多个方面，涉及到材料、结构、施工等不同领域和温度、损伤、断裂、接触等不同学科，呈现出复杂性、系统性和过程性的特点，同时高坝混凝土裂缝又有其自身特点：因高坝混凝土特点是体积大，水化热大，裂缝大部分为施工期温度裂缝，部分是结构设计和施工质量造成，因此施工期防裂、抗裂是关键；裂缝产生后可能会向周边扩展，必须进行裂缝稳定性和对结构安全影响的评估；为准确评估危害性及对裂缝进行后续处理，裂缝展布情况探查是一个必须的环节，由于坝体混凝土体积庞大，对内部的裂缝探查难度很大；根据裂缝位置、稳定性特点和对结构影响大小，在裂缝展布情况明了之后，需采取措施对裂缝进行处理，在裂缝处理过程中必须考虑大坝特殊的工作条件，并对处理效果和处理后结构安全情况进行评价，这是研究坝体裂缝的最终目的。

针对以上所述，国内外研究者在4个方面：① 裂缝成因和机理方面；② 裂缝扩展稳定性及对结构影响方面；③ 裂缝展布情况探查方面;④ 裂缝预防、处理措施及处理效果方面做了大量工作，近年来，发展中国家在裂缝机理、演变规律、影响和控制措施等方面研究成果丰富，发达国家主要以基础性研究为主。本文就成因和机理、扩展稳定性、探查方法和预防控制措施4个方面的进展和研究现状进行回顾，特别是近年来的研究成果，希望能对大体积混凝土裂缝研究有所帮助。

1 裂缝成因和机理研究

裂缝成因，即造成混凝土开裂的原因，导致坝体混凝土开裂的因素很多^［2］，十分复杂，包括：材料性能、环境状况、施工工艺、施工质量、结构设计、基础变形、混凝土冻胀、冲刷、老化以及地震等偶发因素。在不同阶段，各影响因素作用大小有所不同，裂缝主要成因有所差异，通常坝体裂缝主要在施工期产生，由施工期温度荷载造成；运行期裂缝主要是施工期微裂缝扩展、结构设计不当、基础变形、地震等因素造成；坝体长时间运行后，冲刷、冻胀、老化等会造成表面开裂，这种损坏无法避免。

裂缝成因分析是从各种影响因素中找出已有坝体裂缝的主要致裂因子，从而总结经验，为裂缝处理及后续工程抗裂、预防做准备。分析方法大致可以分为总结和理论分析、室内实验、数值模拟、数理统计等几种^［3］。总结和理论分析主要是根据各种外界因素变化情况、监测资料和裂缝出现时间、性态进行定性分析，确定主要致裂因子，得出裂缝成因，目前多数已有裂缝坝体都采用这种方法进行分析，另外采用结构力学法、柔度系数法^［4］等分析结构设计不良造成的坝体开裂，采用经验公式分析温度造成的基础块混凝土贯穿性和表面性开裂等。显见这是一种粗糙、整体和定性式分析方法。室内地质力学模型实验由于经济、人力和时间消耗大，不易重复，且模型相似性与不同荷载的模拟尚存在未解决的问题，目前逐渐被数值模拟方法替代^［3］，仅在一些特重大工程中采用，采用超载、降强等方法预测可能出现裂缝、发展及破坏情况。数值模拟方法广泛用于裂缝成因分析上，最成熟常见的为有限元方法，其它还包括离散元法、无单元法、流形元法等，分析基本上以考虑多因素叠加如温度荷载、自重荷载、水压荷载造成的应力进行验算为主，与实际情况即真实过程存在一定差距；为尽可能真实模拟坝体混凝土应力的时空分布情况，有限元仿真技术被用来分析结构自基础开挖、坝体浇注、初次蓄水和正常运行的全过程应力状态，可以比较准确的给出裂缝出现部位、时机以及主要影响因素，是相对有效和统一的系统模拟方法，但计算量大、计算时间长，同时受有限元方法本身的限制，如应力集中、网格剖分复杂等。研究者尝试引入一些数学理论分析裂缝成因，如粗集方法^［5］、神经网络等，应用尚处于尝试阶段，不很成熟。

混凝土开裂机理十分复杂，机理研究主要采用试验方法和数值模拟方法两种。其中混凝土试验方面^［6］，主要以坝体混凝土早期性能为研究对象，通过对坝体混凝土热学性能、力学性能的详细研究，把握混凝土早期开裂机制，包括干缩、塑性收缩、自收缩、温度变形等导致的开裂；另一类试验主要以混凝土断裂性能为研究对象^［7］，以便更好采用断裂力学方法模拟坝体混凝土的开裂和扩展，试验主要以室内试验为主，大体积混凝土试验成果很少。数值模拟方面，主要采用细观力学^［8］、断裂力学等方法研究裂缝开裂和发展机理，与裂缝扩张稳定性研究相互关联。

2 裂缝扩展稳定性研究

目前裂缝扩展稳定性分析普遍采用数值方法^［9］，包括流形元法、边界元法、分形几何方法、无网格法、有限元法、扩展有限元方法等，其中最为常用和普遍的是有限元方法，其余方法如流行元法在确定物理及数学覆盖时十分繁琐，不易操作，边界元法处理多介质问题、复杂非线性问题比较困难，分形几何和无网格法理论尚不成熟。除此之外，有些学者还提出其它一些研究方法，如变形加固理论，熵理论等，均处于试验阶段，在实际工程中缺乏实践和应用。

采用有限元方法模拟裂缝扩展时，主要有分离裂缝模型、弥散裂缝模型、断裂力学模型、嵌入非连续模型以及扩展有限元方法等^［10］，其中分离裂缝模型^［11］要求在每一荷载步下对网格进行重新剖分，网格重构比较复杂，目前在大坝结构中已有裂缝情况下应用较多，主要采用预设裂缝的方法，而不在计算过程中进行网格调整，避免网格重分的复杂处理和大工作量，但裂缝扩展方向受到严格控制；弥散裂缝模型通过调整单元刚度矩阵来实现结构的开裂和扩展，避开网格重构，但收敛性和计算结果严格依赖网格尺寸，且裂缝开裂尺度难以给出，同时无法反映单元开裂后的自然应力边界条件如坝体裂缝的渗透水压等^［12］；断裂力学模型一般指虚拟裂缝模型和钝化裂缝模型，即采用分离裂缝模型和弥散裂缝模型的思想，结合断裂力学理论，采用能量释放率或断裂韧度作为断裂准则，克服计算受网格尺寸影响大的缺点；但由于连续介质力学对于解决应变软化问题存在固有缺陷，使得隐式模型的开裂严格依赖于网格尺寸、开裂方向与划分网格边的一致性，同时在开裂后期存在应力锁死现象，使得结果不尽合理^［13］。嵌入不连续模型基本出发点是在常规单元形函数中集入应变或者位移非连续项，以表征开裂或错动，采用不同非连续项可以建立不同模型，大致包括静态优化对称模型、动态优化对称模型和静动态优化非对称模型，该方法可以消除隐式模型的应力锁死、网格尺寸和方向相关性，引入附加自由度具有局部特性，不参与整体刚度矩阵的集成，计算过程中整体刚度矩阵带宽保持不变，程序实现可操作性强，但由于引入不连续项是在单元水平上进行的，单元间并不连续和协调，存在明显局限性^［13］。扩展有限元方法^［14］是基于单位分解的方法对单元形函数加以改进，可以考虑非连续性、边界层等特性，计算中采用网格与结构内部几何或物理界面无关，克服了结果受网格划分影响的缺点，与流形元方法十分接近，是理论上较完善的裂缝扩展模拟方法，但裂缝几何形状的描述以及裂缝与网格间的关系在程序实现上难度很大，目前仍处于发展阶段，在高坝工程实际裂缝分析中应用不多。

3 裂缝探查方法研究

坝体混凝土一旦出现裂缝，必须明确裂缝展布情况、裂缝尺度才能正确评估危害性和采取适当的处理措施。在混凝土裂缝探查方法上，可分为无损探查和破损探查两种，由于破损探查显然会对结构造成损害，因此无损探查是被优先采用和重点发展的方法，但由于各方面的限制，如裂缝处于大体积混凝土内部，很多时候无损探查方法无法准确确定裂缝展布情况甚至无法对某些部位进行探查，只能采用破损探查方法。两种方法在实际工程应用中一般相互配合相互补充。

无损探查方法种类很多，主要利用声发射、热、超声、X射线、冲击回波、散斑干涉等^［15］，由于原理不同，不同方法下裂缝测试精度、范围（深度）有所不同，均存在局限性，对于不同对象和测试要求应采取不同的方法。

声发射是在混凝土或岩石材料发生塑性变形、开和扩展裂时，材料自身释放出瞬时弹性能或弹性波，不像超声或射线一样由外在仪器提供，这是一种动态检测，不能反映静态缺陷，只能检测结构缺陷活动信息及其严重性，范围可以很大。目前声发射技术在混凝土性能试验中应用较多，尤其是断裂过程和区域的三维定位，但在实际工程中应用不多，对于已有裂缝的展布范围检测作用不大，另外利用频率、振幅等指标与混凝土开裂参数建立定量关系非常困难，且混凝土开裂过程具有不确定性^［16］。热学上采用红外热成像技术进行检测，包括有外加热源和无外加热源两种，是根据混凝土部位和缺陷部位或开裂部位温度和发射率不同，精确反映不同热对比对，将红外辐射转换成可见光进行显示，这种方式主要用于浅层裂缝和缺陷的检测，对于大体积混凝土内部裂缝尚无法进行检测^［17］。超声检测是根据超声波在不同介质中传播速度不同，根据传播速度大小计算和判定混凝土裂缝和缺陷，由于超声波在混凝土内传播路径复杂、能量衰减大，反射波成像较为困难，多采用透射波成像，检测深度与采用频率有关，具体检测上有很多种方法，如超声相控阵、自动聚焦超声成像、经验模态分解、合成孔径聚焦技术、脉冲激光扫描等，这些方法各有优缺点和适用性，根据不同情况选用，是目前在实际工程中使用较广泛的方法^［18］。X射线或CT扫描检测是根据各部位对X射线吸收程度的大小，建立一副数字图像，可以反映密度分布情况，据此判断混凝土内部裂缝和缺陷，这种方法由于受到设备限制等，目前主要在实验室进行，且有如何进行三维图像构建、裂缝三维空间表达等多种问题需要解决^［19］。冲击回波技术是在结构表面施以微小冲击，利用应力波在结构中遇到缺陷时产生来回反射引起结构表面微小的位移响应，接受并进行频谱分析获得频谱图，据此判断裂缝或缺陷的位置及深度等，该方法为单面检测方法，克服了超声技术的穿透法缺点，目前应用广泛，但对于结构复杂和裂缝成群分布等情况很难应用^［20］。散斑干涉技术在混凝土断裂试验中被用于微裂纹扩展研究，实际裂缝研究中目前未见应用。

由于无损检测技术尚无法对大体积混凝土深部裂缝及群裂缝展布情况和开度给出准确判断，多数情况下必须采用传统的有损检测方法进行确定。有损检测方法主要指钻孔取芯检查，配合压水试验、孔内电视方法进行精确定位，该方法结果直观、可靠，但只能给出钻孔部位裂缝分布，局限性大，同时检测时间长、经济上耗费大，是必须采用而又要尽可能避免采用的方法，在实际采用中应尽可能结合无损检测方法使用。

4 裂缝预防和控制措施研究

为减少裂缝的出现，防止既有裂缝的扩展，并减轻既有裂缝的影响，提出了各种控制措施和无害化方法，包括：结构措施，如结构设计优化、预置分缝及分缝形式优化等^［21］；材料措施，如混凝土外掺MGO、粉煤灰、钢纤维或聚丙烯纤维等^［22］；施工措施^［23］，如施工程序优化、施工工艺改良、施工过程规范化等；温控措施，如多次冷却、混凝土永久保温等；蓄水过程规划措施：特高双曲拱坝的倒悬在未蓄水或蓄水高程较低时会引起下游面出现拉应力，进行合理规划使坝体下游面在水推力与自重合力作用下不会产生较大拉应力。以上措施联合运用，可以有效减少裂缝出现的概率和规模，且各种措施都在不断精细化和持续向前推进，但目前来看仍无法避免坝体混凝土裂缝的出现^［1］。

在裂缝出现后必须采取措施进行处理，以补强加固、防止裂缝继续扩展和渗漏，减小裂缝对结构的影响，即既有裂缝控制和无害化处理。具体处理措施包括很多种^［2］，根据裂缝形态和展布情况采取不同措施，包括灌浆、并缝钢筋或钢筋网、预应力锚杆或锚索、凿槽浇筑、封口等，另外还有生物修复技术等。其中灌浆是最广泛应用的处理措施^［24］，可以用来处理大多数类型的裂缝，灌浆材料包括水泥砂浆、环氧树脂等，这种方法尽管比较成熟，但仍存在一些问题，如灌浆压力大小的选择、灌浆时间选择、封闭裂缝尖端的充填问题、灌浆后粘结程度等，仍需要进行研究；并缝钢筋、钢筋网和预应力锚杆锚索处理措施在一些工程中得到应用，对于裂缝扩展起到明显的限制作用，在施工过程中易于应用，但对完整结构内部裂缝进行处理时过程复杂，同时需要一定的实施条件，限制性较大；凿槽浇筑、封口等措施是处理浅层或表面裂缝的有效措施，对于内部裂缝无法使用。目前有外国学者提出采用生物技术即细菌进行裂缝修补，即在裂缝中放置某些类型的细菌，利用它们在裂缝中产生一系列化学反应，产生碳酸钙、胶状物，将混凝土开裂部位逐渐重新粘合起来。这是一项全新的裂缝修复技术，国内已有研究人员跟进研究，值得关注^［25］。

不同处理措施处理后的效果尽管研究并不充分，但正在不断得到评价和对比研究，使得处理措施在不断完善和进步，整体上更安全、牢靠和环保。

5 结语

如何解决坝体混凝土裂缝一直是国内外学者长期关注的焦点，本文系统总结了近年来高坝裂缝问题研究成果，可看出随着筑坝经验和科研工作的逐步积累，目前在裂缝的成因、机理、稳定性、探查、修补处理和防裂、限裂方面有了长足进步，但鉴于混凝土材料及裂缝问题的复杂性和不确定（偶然）性，在裂缝研究中仍有大量工作需要向前推进。针对高坝裂缝问题，提出以下个人看法。

① 裂缝致裂机理和主要致裂因子目前主要以经验判断和定性分析为主，目前尚无较为有效和统一的分析判断方法，应建立时间全过程、空间全维度和涵盖各主要致裂因子的确定性指标体系，以减少大坝混凝土裂缝产生，严格控制裂缝尺度，以及预测各因素可能对坝体裂缝产生造成的影响。

② 大坝裂缝实际性态掌握不足，尤其是坝体混凝土内部裂缝，一方面是因为深部裂缝探查方法的不足，另一方面是大体积混凝土中裂缝监测仪器的布置存在较大困难。这两个方面的不足使得实际工程中裂缝监测资料掌握较少，不利于裂缝问题研究的深入开展；

③ 如坝体混凝土裂缝得到处理后，不会对结构防渗和安全性带来不利影响，出现一些裂缝也并不可怕。但目前带缝坝体的短期和长期性能研究成果缺乏，这影响到对结构防渗和安全的评估，也影响到坝体混凝土防裂抗裂及裂缝处理的严格程度等，因此带缝坝体的整体性能研究是一个重要方向。

参考文献（References）：

［1］ 朱伯芳.建设高质量永不裂缝拱坝的可行性及实现策略［J］.水利学报,2006,(10):1155-1159.(ZHU Bo-fang.On the Feasibility of Building High Quality Arch Dams without Cracking and the Relevant Techniques ［J］.Journal of Hydraulic Engnieering,2006,(10):1155-1159.(in Chinese))

［2］ 戴会超,王建.国内外水利水电工程混凝土裂缝及其防治技术研究［M］.郑州:黄河水利出版社,2005.(DAI Hui-chao,WANG Jian.Water Resources and Hydropower Engineering Concrete Cracks at Home and Aboard and Its Control Technique［M］.Zhengzhou:Yellow River Conservancy Press,2005.(in Chinese))

［3］ ZHANG Guo-xin,LIU Yi,ZHOU Qiu-jing.Study on Real Working Performance and Overload Safety Factor for High Arch Dam［J］.Science in China,Series E,Technological Sciences,2008,51(Supp.II).

［4］ 任青文,王柏乐.关于拱坝柔度系数的讨论［J］.河海大学学报(自然科学版),2003,31(1):1-4.(REN Qin-gwen,WANG Bai-le.Discussion on Slenderness Coefficient of Arch Dams［J］.Journal of Hohai University (Natural Sciences),2003,31(1):1-4.(in Chinese))

［5］ 薛凌峰,李靖.基于粗集决策树的混凝土坝裂缝成因挖掘［J］.水力发电,2008,34(11):45-47.(XUE Ling-feng,LI Jing.Cause Mining of Crack in Concrete Dam based on Rough Sets and Decision tree［J］.Water Power,2008,34(11):45-47.(in Chinese))

［6］ Muhammad Nasir Amin,Jeong-Su Kim,Yun Lee,Jin-Keun Kim.Simulation of the Thermal Stress in Mass Concrete Using a Thermal Stress Measuring Device ［J］.Cement and Concrete Research.2009,39(3):154-164.

［7］ Amirreze Ghaemmaghami,Mohsen Ghaemian.Large-scale Testing on Specific Fracture Energy Determination of Dam Concrete［J］.International Journal of Fracture.2006,141(1-2):247-254.

［8］ 刘有志,张国新,朱岳明.基于细观损伤模型的混凝土湿度及干缩特性研究［J］.工程力学,2008,25(7):196-200.（LIU You-zhi,ZHANG Guo-xin,ZHU Yue-ming.Study on Concrete Moisture and Drying Shrinkage based on Mesoscopical Damage Model［J］.Engineering Mechanics,2008,25(7):196-200.(in Chinese))

［9］ 韦未,姚伟明.混凝土裂缝扩展模拟研究进展［J］.水利水电科技进展,2004,24(4):53-56.（WEI Wei,YAO Wei-ming.Some Progresses in Simulation of Concrete Crack Propagation［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources,2004,24(4):53-56.(in Chinese))

［10］ 朱万成,赵启林,唐春安,等.混凝土断裂过程的力学模型与数值模拟［J］.力学进展,2002,32(4):579-598.（ZHU Wan-cheng,ZHAO Qin-lin,TANG Chun-an,et al.Mechanical Model and Numerical Simulation of Fracture Process of Concrete［J］.Advances in Mechanics,2002,32(4):579-598.(in Chinese))

［11］ A.R.Lohrasbi,R.Attarnejad.Crack Growth in Concrete Gravity Dams Based on Discrete Crack Method ［J］.American J.of Engineering and Applied Sciences,2008,1 (4):339-343.

［12］ Rene de Borst,Joris J.C.Remmers,Alan Needleman,Marie-Angele Abellan.Discrete vs smeared crack models for concrete fracture:bridging the gap ［J］.International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,2004,28(7-8):583-607.

［13］ 杜效鹄,段云岭.准脆性材料中强不连续问题的数值方法若干应用及其研究进展［J］.力学进展,2006,36(2):247-264.（DU Xiao-hu,DUAN Yun-ling.Some Applications and Recent Advances of Numerical Methods for Strong Discontinuities in Quasi-brittle Material［J］.Advances in Mechanics,2006,36(2):247-264.(in Chinese))

［14］ 李录贤,王铁军.扩展有限元法(XFEM)及其应用［J］.力学进展,2005,35(1):5-20.（LI Lu-xian,WANG Tie-jun.The Extended Finite Element Method and Its Applications-a Review［J］.Advances in Mechanics,2005,35(1):5-20.(in Chinese))

［15］ Kevin L.Rens,Terry J.Wipf,and F.Wayne Klaiber.Review of Nondestructive Evaluation Techniques of Civil Infrastructure ［J］.Perform.Constr.Facil.,1997,11(4):152-160.

［16］ Kentaro Ohno,Masayasu Ohtsu.Crack Classification in Concrete based on Acoustic Emission ［J］.Construction and Building Materials,2010,（24）:2339-2346.

［17］ 刘善军,张艳博,吴立新，等.混凝土破裂与渗水过程的红外辐射特征［J］.岩石力学与工程学报,2009,28(1):53-58.（LIU Shan-jun,ZHANG Yan-bo,WU Li-xin,et al.Infrared Radiation Feature of Concrete during Fracturing and Water Seepage Process ［J］.Chinese Journal of Rock and Engineering,2009,28(1):53-58.(in Chinese))

［18］ Krishnaiah Chevva J.M.Shirke N.Ghosh.Assessment of Concrete Quality Using Non-destructive Techniques,Ghatghar Project,Maharashtra,India［J］.Bull Eng Geol Environ，2008,（67）:65-70.

［19］ 田威,党发宁,陈厚群.动力荷载作用下混凝土破裂特征的CT试验研究［J］.地震工程与工程振动,2011,(1):30-34.（TIAN Wei,DANG Fa-ning,CHEN Hou-qun.CT Experimental Study on Failure Characteristic of Concrete under Dynamic Loading［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2011,(1):30-34.(in Chinese))

［20］ 田北平,吴佳晔,赵强，等.引水隧洞衬砌质量检测的冲击弹性波无损检测技术［J］.四川建筑科学研究,2010,(4):102-104.（TIAN Bei-ping,WU Jia-ye,ZHAO Qiang,et al.The Impact Elastic Wave in the Diversion Tunnel Lining Quality Examination Non-destructive Testing Technology［J］.Sichuan Building Science,2010,(4):102-104.(in Chinese))

［21］ 贾金生,李新宇.高拱坝坝踵开裂问题和新的解决措施［J］.水利学报，2008,(10):35-40.（JIA Jin-sheng,LI Xin-yu.Dam Heel Cracking Problem in High Arch Dams and New Measure for Solution［J］.Journal of Hydraulic Engineering,2008,(10):35-40.(in Chinese))

［22］ 朱伯芳.论微膨胀混凝土筑坝技术［J］.水力发电学报,2000,(3):1-13.（ZHU Bo-fang.On Construction of Dams by Concrete with Gentle Volume Expansion ［J］.Journal of Hydroelectric Engineering,2000,(3):1-13.(in Chinese))

［23］ 钟登华,吴康新,练继亮.基于多Agent的混凝土坝施工仿真与优化研究［J］.系统仿真学报，2008,(2):222-226.（ZHONG Deng-hua,WU Kang-xin,LIAN Ji-liang.Research on Construction Simulation and Optimization for Concrete Dam based on Multi-agent ［J］.Journal of System Simulation,2008,(2):222-226.(in Chinese))

［24］ 曹海,刘涛，夏世法.混凝土坝体裂缝化学灌浆处理及效果分析［J］.水力发电，2010,36(5):44-46.（CAO Hai,LIU Tao,XIA Shi-fa.Processing and Analysis of Chemical Grouting for Crack of Concrete Dam［J］.Water Power,2010,36(5):44-46.(in Chinese))

［25］ 李沛豪,曲文俊.细菌诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝［J］.土木工程学报,2010,43(11):64-70.(LI Pei-hao,QU Wen-jun.Remediation of Concrete Cracks by Bacterially-induced Calcium Carbonate Deposition［J］.China Civil Engineering Journal,2010,43(11):64-70.(in Chinese))

收稿日期：2011-11-02 修回日期：2011-11-25 网络出版时间:2012-02-24

网络出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1334.TV.20120224.1342.003.html

作者简介:周秋景（1979-），男，山东荷泽人，高级工程师，主要从事混凝土结构数值分析方面的研究。E-mail:zhougj@inhr.com

通讯作者：张国新（1960-），男，山东临朐人，教授级高级工程师，博士生导师，主要从事复杂混凝土结构数值分析、大体积混凝土温控等研究。E-mail:zhanggx@iwhr.com

作者：周秋景 张国新 杨波